基于MATLAB的洗衣機(jī)模糊控制設(shè)計(jì)

基于MATLAB的洗衣機(jī)模糊控制設(shè)計(jì)摘要：模糊洗衣機(jī)是一種智能型的洗衣機(jī)，它和傳統(tǒng)的洗衣機(jī)相比，是一種全新的家用電器。傳統(tǒng)的全自動(dòng)化洗衣機(jī)有兩種，一種是機(jī)械控制式，一種是單片機(jī)控制式。無(wú)論采用什么方式，它們都需要進(jìn)行人為的洗滌程序選擇，衣質(zhì)和衣量選擇，然后才能投入工作。在本質(zhì)上講，這種洗衣機(jī)還稱(chēng)不上是全自動(dòng)的，最多只能稱(chēng)為半自動(dòng)的。

用單片機(jī)控制的模糊洗衣機(jī)和傳統(tǒng)的洗衣機(jī)有很大的區(qū)別，它能自動(dòng)識(shí)別衣質(zhì)自動(dòng)識(shí)別骯臟程度、自動(dòng)化決定水量、自動(dòng)投入恰當(dāng)?shù)南礈靹?，從而全部自?dòng)地完成整個(gè)洗染過(guò)程。由于洗滌程序是通過(guò)模糊推理而決定的，有著極高的洗滌效能，從而不但大大提高洗衣機(jī)的全自動(dòng)化程度，也大大提高了洗衣的質(zhì)量。

用單片機(jī)控制的模糊洗衣機(jī)可以說(shuō)是真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)。在整個(gè)控制過(guò)程中，單片機(jī)和模糊控制軟件起了決定作用。關(guān)鍵詞：洗衣機(jī)、智能型、模糊控制、自動(dòng)化1課題背景及意義洗衣機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)正呈現(xiàn)出全自動(dòng)、多功能、大容量、高智能、省時(shí)節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，電子技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的不斷完善、成熟，為上述發(fā)展趨勢(shì)提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障。L·A·Zadeh教授最早提出了模糊集合理論，由此產(chǎn)生了模糊控制技術(shù)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是：不需要對(duì)被控對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于復(fù)雜的、非線性的、大滯后的、時(shí)變的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，建立數(shù)學(xué)模型是非常困難的。全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)的自動(dòng)化、智能化控制正是一種難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制問(wèn)題，采用模糊控制技術(shù)，可以很方便的控制洗衣干衣過(guò)程。模糊控制全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)是通過(guò)模糊推理找出最佳洗滌烘干方案，以?xún)?yōu)化洗滌烘干時(shí)間、洗凈程度、烘干效果，最終達(dá)到提高效率，簡(jiǎn)化操作，節(jié)水節(jié)電省時(shí)的效果。模糊控制全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)屬于創(chuàng)新項(xiàng)目，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。它的研制成功，必將大大推動(dòng)我國(guó)乃至世界洗衣機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。2模糊控制洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀80年代以來(lái)，家用洗衣機(jī)得到了迅速的發(fā)展，世界洗衣機(jī)總產(chǎn)量已經(jīng)約為3000萬(wàn)臺(tái)/年，日本年產(chǎn)約為465萬(wàn)臺(tái)，美國(guó)的年產(chǎn)量約為625萬(wàn)臺(tái)。在這些發(fā)達(dá)國(guó)家洗衣機(jī)的普及率已經(jīng)非常高，在當(dāng)時(shí)日本的普及率約為99%，美國(guó)也達(dá)到了72%，西德89%，法國(guó)75%。國(guó)外的洗衣機(jī)，美國(guó)的一般采用攪拌式，歐洲一般用滾筒式，而日本一般采用波輪式，除此之外，其他國(guó)家還有一些噴流式、震動(dòng)式。早在1965年模糊數(shù)學(xué)的奠基人美國(guó)的理·查德教授首先提出了模糊集合的概念，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，模糊數(shù)學(xué)以其強(qiáng)大的生命力，經(jīng)歷了創(chuàng)建，完善，到逐步應(yīng)用的歷程。同時(shí)借助于數(shù)理統(tǒng)計(jì)、邏輯運(yùn)算及電子計(jì)算機(jī)的綜合能力，已將模糊化推進(jìn)到使用階段，于是基于模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論及計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生了高新科技產(chǎn)品電腦模糊化控制洗衣機(jī)。它的出現(xiàn)，為洗衣機(jī)的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的時(shí)代。了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，所有的模糊子集都選取三角形隸屬度函數(shù)）：2、油性骯臟度：NG（油污少）、MG（油污中）、LG（油污多），隸屬函數(shù)如下所示：3、洗滌時(shí)間：VS（很短）、S（短）、M（中等）L（長(zhǎng)）、VL（很長(zhǎng)）。隸屬函數(shù)如下所示：建立模糊控制規(guī)則根據(jù)人的操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，模糊規(guī)則設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)為：“污泥越多，油脂越多，洗滌時(shí)間越長(zhǎng)”；“污泥適中，油脂適中，洗滌時(shí)間適中”；

“污泥越少，油脂越少，洗滌時(shí)將越短”。

污泥和油脂各分為三檔，進(jìn)行組合搭配后，可設(shè)立九條模糊控制規(guī)則，如表1所示。表1模糊洗衣機(jī)的洗滌控制規(guī)則表4.4模糊推理和清晰化處理由于篇幅限制，模糊推理就不贅述了。本文采用最大隸屬度法計(jì)算模糊量清晰化后的數(shù)值。5實(shí)驗(yàn)仿真用一個(gè)二維Mamdani型模糊控制器實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的模糊控制，建立一個(gè)FIS編輯器界面，其中包含兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出，分別為D（泥性骯臟度）、G（油性骯臟度）和T（洗滌時(shí)間），F(xiàn)IS編輯器如圖5-1所示：圖5-1洗衣機(jī)的FIS編輯器洗衣機(jī)FIS編輯器輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)編輯：圖5-2輸入量D的MF編輯器圖5-3輸入量G的MF編輯器圖5-4輸出量T的MF編輯器圖5-5洗衣機(jī)的Rule編譯器至此，洗衣機(jī)的FIS設(shè)計(jì)、編輯工作全部完成。下面來(lái)觀測(cè)模糊推理的過(guò)程：圖5-6洗衣機(jī)Rule觀測(cè)窗輸入、輸出變量之間的整體相關(guān)情況如圖5-7所示：圖5-7洗衣機(jī)輸出曲面觀測(cè)窗可以看出，輸出t是ｄ和ｇ兩個(gè)輸入變量的函數(shù)，由于只有兩個(gè)輸入，控制器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，曲面比較光滑，不過(guò)控制器的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步改進(jìn)，但是基本的設(shè)計(jì)思路和方法都已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)了。5.２系統(tǒng)仿真設(shè)被控對(duì)象為首先運(yùn)行模糊程序，并將模糊推理系統(tǒng)保存。然后運(yùn)行模糊控制的Simulink仿真程序如圖5-8所示。圖模糊控制Simulink仿真程序設(shè)Kd=6，Kg=12，Kt=1/6，得到的仿真曲線如圖5-9，5-10所示：圖5-9仿真曲線由5-9仿真曲線可知，系統(tǒng)輸出值與預(yù)定值較為接近，但是超調(diào)還是有點(diǎn)大,于是將Kg改小為8，再觀察曲線，此時(shí)Kd=6，Kg=8，Kt=1/6，得圖5-10：圖5-10改進(jìn)后的仿真曲線由上圖可以看出，改進(jìn)后系統(tǒng)輸出值與預(yù)定值比較接近，而且超調(diào)量較圖5-9來(lái)說(shuō)明顯變小，有著較高的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)特性，說(shuō)明通過(guò)模糊控制可以達(dá)到預(yù)期的效果，對(duì)實(shí)際控制具有較好的指導(dǎo)意義。6總結(jié)模糊控制是一種非線性的控制方法，主要針對(duì)那些無(wú)法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)。首先要對(duì)被控對(duì)象按照人們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊規(guī)則，采用模糊量，借助單片機(jī)對(duì)這些信息按照模糊規(guī)則轉(zhuǎn)換為控制量，來(lái)完成自動(dòng)控制。近年來(lái)，模糊控制在家用電器控制中得到較廣泛的應(yīng)用，采用模糊控制的洗衣機(jī)，可具有自動(dòng)識(shí)別衣質(zhì)、衣量、臟污程度、臟污性質(zhì)、自動(dòng)決定水量、自動(dòng)投入恰當(dāng)?shù)南礈靹┑裙δ?，不僅實(shí)現(xiàn)了洗衣機(jī)的全面自動(dòng)化，也大大提高了洗衣的質(zhì)量，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和較好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)[1]

章衛(wèi)國(guó),楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用.西安：西北工業(yè)大學(xué)出